JP2005072488A

JP2005072488A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2005072488A
Application number: JP2003303368A
Authority: JP
Inventors: Kimio Shigihara; 君男鴫原; Kazue Kawasaki; 和重川崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2005-03-17
Also published as: US20050047464A1; US7215694B2; CN1592012A; TW200509490A; KR100754956B1; KR20050022333A; CN100355162C; TWI232015B

Abstract

【課題】前端面が低反射率であるとともに、温度変化による発振波長変化の小さい半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】少なくとも活性層と、クラッド層と、光を出射する端面とを有する半導体レーザ装置において、その端面には、波長によって反射率が変化する低反射膜が設けられていて、この低反射膜の反射率が極小となる波長は半導体レーザ装置の利得が最大となる波長より長波長側にあり、低反射膜の反射率が波長の増加に伴って減少する領域でのみ半導体レーザ装置の利得と損失が等しくなることを特徴とする。半導体レーザ装置の利得が最大となる波長における低反射膜の反射率は１％以下であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

この発明は、光情報処理用の光源、光通信の信号源またはファイバアンプの励起光源などに用いられる半導体レーザ装置に関する。

図１３は、従来の半導体レーザ装置における波長と光出力との関係を示したものである。図１３の半導体レーザ装置では、出射端面である前端面にＳｉＯ_２膜が、後端面にＳｉＯ_２膜とアモルファスシリコン膜からなる多層膜がそれぞれ設けられている。この場合、前端面の反射率は６％であり、後端面の反射率は９４％である（例えば、非特許文献１参照。）。

図１３より、光出力が１ｍＷから３０ｍＷまで変化するのにしたがい、発振波長は７８０ｎｍから７８６ｎｍまで変化する。これを単位出力あたりの波長変化に換算すると、０．２１ｎｍ／ｍＷとなる。したがって、スロープ効率を１ｍＷ／ｍＡとすると、単位電流あたりの波長変化は０．２１ｎｍ／ｍＡとなる。

こうした波長変化は、注入電流の増加による活性層の温度上昇によって引き起こされる。そして、単位温度あたりの波長変化は、ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザ装置では約０．２〜０．３ｎｍ／℃、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体レーザ装置では約０．４〜０．７ｎｍ／℃とされている（例えば、非特許文献２参照。）。

ティー・オートシ（Ｔ．Ｏｈｔｏｓｈｉ）ら、「自己整合されたストライプ状の埋込みヘテロ構造を有する高出力可視ＧａＡｌＡｓレーザ（Ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒｖｉｓｉｂｌｅＧａＡｌＡｓｌａｓｅｒｓｗｉｔｈｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄｓｔｒｉｐｅｂｕｒｉｅｄｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、（米国）、１９８４年、第５６巻、第９号、ｐ．２４９１−２４９６米津宏雄著、「光通信素子光学」、第３版、光学図書株式会社、昭和６１年１２月１５日、ｐ．２４３−２５５

上記従来の半導体レーザ装置にあっては、波長λに対して厚さがλ／４のＳｉＯ_２膜のみが前端面に設けられた構造となっている。したがって、前端面の反射率は６％程度もあり、１％以下の低反射率とはなっていなかった。

また、従来の半導体レーザ装置では、利得の温度依存性による発振波長の変化が大きい。このため、波長の安定した光源を必要とする用途に用いる場合に大きな問題となっていた。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、前端面が低反射率であるとともに温度変化による発振波長変化の小さい半導体レーザ装置を提供することにある。

本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の半導体レーザ装置は、少なくとも活性層と、クラッド層と、光を出射する端面とを有する半導体レーザ装置において、その端面には、波長によって反射率が変化する低反射膜が設けられていて、この低反射膜の反射率が極小となる波長は半導体レーザ装置の利得が最大となる波長より長波長側にあり、低反射膜の反射率が波長の増加に伴って減少する領域でのみ半導体レーザ装置の利得と損失が等しくなることを特徴とするものである。

この発明は以上説明したように、光を出射する端面に、波長によって反射率が変化する低反射膜を設け、この低反射膜の反射率が極小となる波長が半導体レーザ装置の利得が最大となる波長より長波長側にあり、低反射膜の反射率が波長の増加に伴って減少する領域でのみ半導体レーザ装置の利得と損失が等しくなるようにすることによって、前端面が低反射率であるとともに温度変化による発振波長変化の小さい半導体レーザ装置とすることができる。

図１は、本実施の形態にかかる半導体レーザ装置の断面図の一例である。図１において、１はｎ側電極、２はｎ側ＧａＡｓ基板、３はｎ側ＡｌＧａＡｓクラッド層、４はアンドープｎ側ＡｌＧａＡｓガイド層、５はアンドープｎ側ＧａＡｓガイド層、６はアンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層、７はアンドープＧａＡｓバリア層、８はアンドープｐ側ＧａＡｓガイド層、９はアンドープｐ側ＡｌＧａＡｓガイド層、１０はｐ側ＡｌＧａＡｓクラッド層、１１はｐ側ＧａＡｓキャップ層、１２はＳｉ_３Ｎ_４絶縁膜、１３はｐ側電極、１４は金線、１５はリッジ領域、１６はリッジ領域１５の外側にある低屈折率領域、１７は低屈折率領域１６の外側にある高屈折率領域である。図１において、金線１４は高屈折率領域１７の上にワイヤボンドされている。

図１に示すように、リッジ領域１５の外側に低屈折率領域１６を設けることによって、レーザ光をリッジ領域１５に効率的に閉じ込めることができる。また、Ｓｉ_３Ｎ_４絶縁膜１２に開口部１２ａを設けることによって、電流を閉じ込めることが可能となる。

図２は、図１の半導体レーザ装置を共振器長１，５００μｍで劈開した後に組み立て、閾値電流から１ｍＡ低い電流値で測定した利得の波長依存性の一例を示したものである。図２の例において、利得が最大となる波長は約９８４ｎｍである。尚、半導体レーザ端面にコーティングした膜の反射率およびこの反射率から求められるミラー損失は、対象とする波長によって値が変化する。そこで、本明細書においては、これらの値を利得が最大となる波長によって規定することとする。尚、本実施の形態においては、ファイバアンプの励起光源として用いられる、発振波長９８０ｎｍの半導体レーザを例としているが、本発明がこれに限られるものでないことはいうまでもない。

図３は、本実施の形態の半導体レーザ装置において、光を出射する端面としての前端面に設ける低反射膜の一例である。このような低反射膜を設けることによって、前端面の反射率に波長依存性を持たせることが可能となる。

図３において、１８は等価屈折率ｎ_ｃ＝３．３７０の半導体レーザ装置、１９は屈折率ｎ_３＝１．６２９で膜厚ｄ_１＝２０．０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）からなる第１層膜、２０は屈折率ｎ_２＝１．４８４で膜厚ｄ_２＝８．２８ｎｍのＳｉＯ_２（石英）からなる第２層膜、２１は屈折率ｎ_１＝２．０７２で膜厚ｄ_３＝８５．５９ｎｍのＴａ_２Ｏ_５（酸化タンタル）からなる第３層膜、２２は屈折率ｎ_２＝１．４８４で膜厚ｄ_４＝１８３．８９ｎｍのＳｉＯ_２からなる第４層膜、２３は屈折率ｎ_１＝２．０７２で膜厚ｄ_５＝８５．５９ｎｍのＴａ_２Ｏ_５からなる第５層膜、２４は屈折率ｎ_２＝１．４８４で膜厚ｄ_６＝１８３．８９ｎｍのＳｉＯ_２らなる第６層膜を示す。このように、低反射膜は、第１層膜１９、第２層膜２０、第３層膜２１、第４層膜２２、第５層膜２３および第６層膜２４がこの順に積層された多層膜からなっている。そして、第１層膜１９が半導体レーザ装置１８の前端面に最も近接するようにして設けられる。尚、図３において、２５は屈折率１．００の外部空間を示す。外部空間２５は、空気若しくは窒素または自由空間からなる。

図４は、図３に示す低反射膜の反射率と波長との関係を計算によって求めた結果を示したものである。図４より、低反射膜の反射率は波長によって変化することが分かる。

図４における反射率の極小値はゼロであり、この低反射膜は無反射となる波長を有する。ここで、無反射となる波長は、半導体レーザ装置の利得が最大となる波長を変えることによって変化させることができる。今、利得が最大となる波長を９８４ｎｍとすると、図４において無反射となる波長は１，０００ｎｍである。したがって、波長９８４ｎｍの近傍における反射率は、波長が長くなるとともに低下するようになる。図５は、図４を波長９４０ｎｍから波長１，０２０ｎｍの範囲で拡大したものである。図５より、波長９８４ｎｍの近傍では、波長が長くなるにしたがい反射率が低下している様子がはっきり分かる。

このように、本実施の形態における低反射膜は、その反射率が極小となる波長が半導体レーザ装置の利得が最大となる波長より長波長側にあり、低反射膜の反射率が波長の増加に伴って減少する領域でのみ半導体レーザ装置の利得と損失が等しくなって発振に至ることを特徴としている。このようにすることによって、前端面が低反射率であるとともに温度変化による発振波長変化の小さい半導体レーザ装置とすることができる。

また、本実施の形態における低反射膜は、半導体レーザ装置の利得が最大となる波長において１％以下の反射率を有していることが好ましい。図４の例では、反射率が１％以下となるのは、波長８８９ｎｍから波長１，１０３ｎｍまでの範囲である。したがって、利得が最大となる波長９８４ｎｍにおいて１％以下の反射率を有している。また、この場合、反射率が１％以下となる範囲は２１４ｎｍと広帯域である。このように、帯域を広くすることによって、急激な波長の跳びが起こるのを防ぐことができる。

本実施の形態の半導体レーザ装置においては、例えば、第１層膜としてのＡｌ_２Ｏ_３膜の上にＳｉＯ_２膜とアモルファスシリコン膜とを交互に積層し、合計で１０層からなる多層膜を後端面に設けることができる。ここで、各層の膜厚はλ／４とすることができる。このようにした場合の後端面の反射率は約９７％であり、波長を変化させても反射率は殆ど変化しない。

図６に、本実施の形態による半導体レーザ装置について、波長と反射率との関係を測定した結果の一例を示す。図６の例では、利得が最大となる波長（９８４ｎｍ）における反射率Ｒ_ｆは０．１６％である。この場合、波長９８４ｎｍ±１０ｎｍの範囲で求めたミラー損失の変化（Δα／Δλ）は０．０１５ｃｍ^−１／ｎｍである。

図７は、図６の半導体レーザ装置について、注入電流に対する発振波長を温度を変えて測定した結果の一例を示す図である。注入電流の増加および温度の上昇に伴い、半導体レーザ装置の発振波長は次第に長くなる傾向にある。しかしながら、本実施の形態によれば、温度１５℃で注入電流１００ｍＡから温度８５℃で注入電流６００ｍＡまで変化した場合において、発振波長の変化Δλ_Ｌは８．１９ｎｍ程度と非常に小さい値を示す。このように、反射率が波長によって変化する膜を半導体レーザ装置の前端面に設けることによって、注入電流および温度の変化による発振波長の変化をごく小さい範囲に抑制することが可能となる。これに対して、波長によって反射率が変化しない膜を半導体レーザ装置の前端面に設けた場合には、温度１５℃で注入電流１００ｍＡから温度８５℃で注入電流６００ｍＡまで変化した場合における発振波長の変化Δλ_Ｌは、４０ｎｍ程度と大きな値を示すことが実験で確認されている。

図８は、図６の半導体レーザ装置について、電流と光出力との関係を温度を変えて測定した結果の一例を示す図である。図８より、温度の上昇に伴って閾値電流も増大するが、効率は殆ど変化しないことが分かる。

一般に、反射率が低下すると半導体レーザ装置の外に取り出せる光出力は増大する。このため、スロープ効率も増加するようになる。これに対して、本願発明では、半導体レーザ装置の前端面に設ける膜の反射率を１％以下の低反射率としていることから、バンドフィリング効果によるキャリアのオーバーフローが発生する。このため、内部量子効率の低下によってミラー損失の増加が打ち消される結果、温度変化によるスロープ効率の変化を抑制することが可能となる。

無反射となる波長を変えたり、無反射膜を構成する各層の膜厚を変えたりすることによって、利得が最大となる波長における反射率およびミラー損失の変化を変えることができる。図９は、本実施の形態による半導体レーザ装置について、波長と反射率との関係を測定した結果の他の例である。図９の例では、利得が最大となる波長（９８４ｎｍ）における反射率Ｒ_ｆは０．３２％である。この場合、波長９８４ｎｍ±１０ｎｍの範囲で求めたミラー損失の変化（Δα／Δλ）は０．０３８ｃｍ^−１／ｎｍである。

図１０は、図９の半導体レーザ装置について、注入電流に対する発振波長を温度を変えて測定した結果の一例を示す図である。図７と同様に、注入電流の増加および温度の上昇に伴い、半導体レーザ装置の発振波長は次第に長くなる。この場合、温度１５℃で注入電流１００ｍＡから温度８５℃で注入電流６００ｍＡまで変化した場合における発振波長の変化Δλ_Ｌは１９．８７ｎｍ程度である。

図１１は、本実施の形態による半導体レーザ装置について、波長と反射率との関係を測定した結果の他の例である。図１１の例では、利得が最大となる波長（９８４ｎｍ）における反射率Ｒ_ｆは０．２５％である。この場合、波長９８４ｎｍ±１０ｎｍの範囲で求めたミラー損失の変化（Δα／Δλ）は０．０６３ｃｍ^−１／ｎｍである。

図１２は、図１１の半導体レーザ装置について、注入電流に対する発振波長を温度を変えて測定した結果の一例を示す図である。図７や図１０と同様に、注入電流の増加および温度の上昇に伴い、半導体レーザ装置の発振波長は次第に長くなる。この場合、温度１５℃で注入電流１００ｍＡから温度８５℃で注入電流６００ｍＡまで変化した場合における発振波長の変化Δλ_Ｌは１８．５３ｎｍ程度である。

本実施の形態においては、半導体レーザ装置の前端面に設ける無反射膜を６層からなる多層膜としたが、本発明はこれに限られるものではない。反射率が波長によって変化する膜であって、その反射率が極小となる波長が半導体レーザ装置の利得が最大となる波長より長波長側に位置する低反射膜であれば、６層以外の多層膜（例えば、８層膜など。）であってもよいし、さらには単層膜であってもよい。

また、本発明は、ファイバアンプ励起光源用半導体レーザ装置（発振波長９８０ｎｍ）以外の他の半導体レーザ装置にも適用可能である。例えば、青紫色半導体レーザ装置および赤色半導体レーザ装置の他、発振波長が７８０ｎｍ、１．３μｍ、１．４８μｍまたは１．５５μｍである各半導体レーザ装置にも適用可能である。

本実施の形態における半導体レーザ装置の断面図の一例である。本実施の形態における半導体レーザ装置の利得の波長依存性を示す図である。本実施の形態における低反射膜の一例を示す図である。本実施の形態における低反射膜の反射率の波長依存性を示す図である。本実施の形態における低反射膜の反射率の波長依存性を示す図である。本実施の形態における低反射膜の反射率の波長依存性を示す図である。本実施の形態の半導体レーザ装置において、温度による注入電流と発振波長との関係を示す図である。本実施の形態の半導体レーザ装置において、温度による注入電流と光出力との関係を示す図である。本実施の形態における低反射膜の反射率の波長依存性を示す図である。本実施の形態の半導体レーザ装置において、温度による注入電流と発振波長との関係を示す図である。本実施の形態における低反射膜の反射率の波長依存性を示す図である。本実施の形態の半導体レーザ装置において、温度による注入電流と発振波長との関係を示す図である。従来の半導体レーザ装置の発振波長の出力依存性を示す図である。

符号の説明

１ｎ側電極
２ｎ側ＧａＡｓ基板
３ｎ側ＡｌＧａＡｓクラッド層
４アンドープｎ側ＡｌＧａＡｓガイド層
５アンドープｎ側ＧａＡｓガイド層
６アンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層
７アンドープＧａＡｓバリア層
８アンドープｐ側ＧａＡｓガイド層
９アンドープｐ側ＡｌＧａＡｓガイド層
１０ｐ側ＡｌＧａＡｓクラッド層
１１ｐ側ＧａＡｓキャップ層
１２Ｓｉ_３Ｎ_４絶縁膜
１３ｐ側電極
１４金線
１５リッジ領域
１６低屈折率領域
１７高屈折率領域
１８半導体レーザ装置
１９第１層膜
２０第２層膜
２１第３層膜
２２第４層膜
２３第５層膜
２４第６層膜
２５外部空間

Claims

少なくとも活性層と、クラッド層と、光を出射する端面とを有する半導体レーザ装置において、
前記端面には、波長によって反射率が変化する低反射膜が設けられていて、
前記低反射膜の反射率が極小となる波長は前記半導体レーザ装置の利得が最大となる波長より長波長側にあり、
前記低反射膜の反射率が波長の増加に伴って減少する領域でのみ前記半導体レーザ装置の利得と損失が等しくなることを特徴とする半導体レーザ装置。
前記半導体レーザ装置の利得が最大となる波長における前記低反射膜の反射率は１％以下である請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記低反射膜はＡｌ_２Ｏ_３膜の上にＳｉＯ_２膜とＴａ_２Ｏ_５膜が交互に積層された膜であり、前記端面に最も近接して前記Ａｌ_２Ｏ_３膜が形成される請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。